제6부 센서·임무 탑재체
6.4 적외선·열영상 센서: MWIR·LWIR·냉각과 비냉각·NETD
6.4.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
가시광 카메라(6.3)는 햇빛이 물체에서 반사된 빛을 본다. 열영상 센서는 물체가 스스로 내는 적외선을 본다. 그래서 밤에도 보이고, 연기를 넘어 불길 속을 보고, 전기 접속부가 뜨거운지 잴 수 있다. 이 장은 열영상 센서의 하드웨어 층을 다룬다. 대역과 대기 창, 두 종류의 검출기(비냉각 마이크로볼로미터와 냉각형 광자 검출기)가 감도를 얻는 원리, NETD와 MRTD를 읽는 법, 열 대비가 거리와 대기를 지나 문턱을 넘는 조건, 그리고 온도를 재는 열영상(방사 측정)의 오차를 계산으로 보인다.
배우는 것:
- 대역과 대기 창 — NIR·SWIR·MWIR·LWIR이 무엇을 보고, 대기가 어디서 막고 어디서 여는지.
- 검출기의 원리 — 마이크로볼로미터가 장면 1 K를 화소 수 mK로 바꾸는 사슬과, 냉각형 광자 검출기의 우물 한계 NETD. 냉각기의 무게·전력·수명이라는 대가.
- NETD와 MRTD — 정의, 조건(F수·배경 온도·프레임률), 데이터시트를 비교하는 법.
- 탐지 거리 — 4.11.9.3(넓은 표적)과 5.6.5.3(점 표적)의 식을 하나로 묶고 대기 투과를 넣어, NETD를 낮추는 것이 거리를 얼마나 늘리는지 계산한다.
- 방사 측정 — 방사율과 반사 온도의 오차가 점검·소방의 온도 값을 얼마나 틀리게 하는지.
- 보정과 수출통제 — 셔터와 비균일 보정(NUC), 프레임률 9 Hz 경계가 왜 데이터시트에 나오는지.
선수 지식: 열 대비와 겉보기 복사의 식은 4.11.5.1, 플랑크 법칙의 대역 적분과 점 표적의 탐지 거리는 5.6.5.1·5.6.5.3, 안개 속 투과는 4.11.9, 가시광 카메라의 GSD·MTF·Johnson 기준은 6.3이다. 야간 항법에서의 용도은 4.11, 저피탐 쪽의 원리는 5.6가 맡았다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 6.4.4(검출기)와 6.4.6(탐지 거리)의 식을 본다. 점검·소방 실무자는 6.4.7의 방사율 오차와 측정 거리를 먼저 읽는다. 수출·조달 담당자는 6.4.4.3의 비교표와 6.4.13의 수출통제 연결을 본다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로, 지식은 2026년 중반까지 반영했다. 수치 예시는 일반적 모형의 교육용 가정(4.11·5.6와 같은 640화소·50도·NETD 50 mK 센서와, 가상의 좁은 시야 냉각형 센서)이며, 이 장의 식을 파이썬(표준 라이브러리
math)으로 계산했다(mil-uam/fig-src/6.4-calc.py). 제조사 주장은(공개 주장치), 문헌의 대략적 범위는(경험 범위), 확인하지 못한 것은(확인 필요)로 표시했다. 군용 열영상 장비는 공개 자료 수준에서만 다룬다. 제품 비교는 24.32(민간)·24.13(군용)이 맡는다.
6.4.2 개념·직관 — 반사에서 방출로
모든 물체는 온도에 따라 전자기파를 낸다. 상온(300 K)의 물체는 복사가 가장 강한 파장이 빈 변위 법칙으로 약 9.7 µm이고, 500 °C의 배기관은 3.7 µm, 태양(약 5,800 K)은 0.5 µm다. 그래서 가시광 카메라는 태양의 빛을, LWIR 센서는 상온 물체의 빛을, MWIR 센서는 뜨거운 물체의 빛을 주로 본다(5.6.5.1).
이 차이가 열영상의 성격을 정한다.
- 조명이 필요 없다. 신호의 근원이 물체 자신이므로 밤과 낮이 같다(4.11.5).
- 신호는 온도 차다. 장면 전체가 300 K 안팎의 큰 복사로 차 있고, 보고 싶은 것은 그 위의 작은 변화다. 300 K에서 1 K는 LWIR 복사의 1.64 %다(4.11.5.1). 열영상의 감도 지표(NETD)가 mK 단위인 이유다.
- 표면만 본다. 열영상은 표면의 온도와 방사율을 본다. 일반 유리와 물은 LWIR에서 불투명하거나 하늘을 반사한다(4.11.5.2).
- 해상도는 낮다. 파장이 가시광의 약 20배라 같은 구경에서 회절 번짐도 20배이고(6.3.5.1), 검출기 화소도 크다. 640×512화소가 소형 무인기의 흔한 해상도다
(경험 범위).
세 축의 요구는 이렇게 달라진다. 군용 드론은 야간 감시정찰과 GNSS 거부 환경의 항법(4.11)에 열영상을 사용한다. 먼 거리를 보는 짐벌은 냉각형 MWIR, 소형 기체는 비냉각 LWIR이 흔하다 (경험 범위). 수출통제가 공급망을 구분한다. 민간 UAS는 점검(태양광·전력·건물)과 소방·수색구조가 중심이고, 온도를 숫자로 재는 방사 측정이 요구될 때가 많다. AAM에서는 야간·저시정의 장애물 감지와 착륙 보조(4.11.10, 2.7)의 보조 센서로 다뤄지며, 인증 가능한 성능 근거가 걸림돌이다.
6.4.3 대역과 대기 창
대기는 적외선을 고르게 통과시키지 않는다. 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂)의 분자 흡수띠가 곳곳을 막고, 그 사이의 창으로만 멀리 볼 수 있다. 대표 흡수띠는 수증기의 1.4·1.9·2.7·6.3 µm 근처, 이산화탄소의 2.7·4.3·15 µm 근처다 (경험 범위). 센서 대역은 이 창에 맞춘다.
| 대역 | 파장 | 주된 신호 | 대표 검출기 | 냉각 | 대표 용도 |
|---|---|---|---|---|---|
| NIR | 0.7~1.0 µm | 반사(태양·능동 조명) | 실리콘 CMOS | 없음 | 식생(6.7), 능동 조명 야간(4.11.6) |
| SWIR | 0.9~1.7 µm(확장형 2.5 µm) | 반사(태양·대기광) | InGaAs | 열전 냉각 정도 | 연무 투과(4.11.6), 수분·재질 판별 |
| MWIR | 3~5 µm(4.3 µm의 CO₂ 띠가 가운데를 막는다) | 방출 + 낮에는 태양 반사 | InSb·HgCdTe·초격자 | 극저온 | 장거리 감시, 뜨거운 표적 |
| LWIR | 8~12(14) µm | 방출 | 마이크로볼로미터, HgCdTe | 비냉각 또는 극저온 | 점검·소방·수색·야간 항법 |
두 열 대역은 서로 다른 장점을 갖는다. 300 K에서 1 K당 대역 복사의 변화율은 MWIR 3.63 %, LWIR 1.64 %다(5.6.5.1). 상대 대비는 MWIR이 크다. 반면 같은 장면에서 오는 광자 수는 LWIR이 MWIR의 약 46배다. 신호의 양은 LWIR이 많다. 광자를 세는 냉각형 검출기는 이 차이 때문에 대역마다 설계가 달라진다(6.4.4.2). 낮의 MWIR은 태양 반사가 섞여 반짝임(glint)이 생기고, LWIR은 거의 순수한 방출이다 (경험 범위).
대기 투과의 정량에는 분자 흡수선의 자료와 대기 투과 모형(MODTRAN 같은)이 필요하다. 이 장은 그것을 구현하지 않고, 대기를 소광계수 $\sigma$의 지수 감쇠 $\tau(R)=e^{-\sigma R}$로 단순화해 매개변수로 다룬다. 안개의 LWIR 소광은 4.11.9.2의 Mie 계산을 사용하고, 전파 대역의 대기 감쇠는 3.5이 다룬다.
6.4.4 검출기 — 열로 재는가, 광자로 세는가
6.4.4.1 비냉각 마이크로볼로미터 — 열로 재는 센서
결론부터: 마이크로볼로미터는 적외선을 열로 받아 화소의 온도 변화를 저항으로 읽는다. 장면이 1 K 바뀌면 화소는 수 mK만 바뀐다. 그래서 화소를 진공 속에 띄워 열이 빠져나가는 길(다리의 열전도 $G$)을 최대한 좁히고, 빛을 많이 모으는 밝은 렌즈(F1 안팎)를 사용한다. 대가는 느린 응답과 큰 렌즈다.
화소 넓이 $A_d$, 렌즈 투과율 $\tau_o$, F수 $N$일 때 장면의 온도가 $\Delta T$ 바뀌면 화소에 들어오는 전력과 화소의 온도 변화는 다음이다(램버트 장면, 작은 각 근사).
$$\Delta P=\frac{A_d\,\tau_o}{4N^{2}}\,\frac{dM}{dT}\,\Delta T,\qquad \Delta T_d=\frac{\alpha\,\Delta P}{G},\qquad \tau_{\mathrm{th}}=\frac{C_{\mathrm{th}}}{G}$$
따라서 화소 온도 잡음 $\sigma_{T_d}$가 정하는 NETD는 다음 꼴이다.
$$\mathrm{NETD}=\sigma_{T_d}\,\frac{4N^{2}\,G}{\alpha\,A_d\,\tau_o\,(dM/dT)}\ \propto\ \frac{N^{2}\,G}{A_d}$$
| 기호 | 뜻 | 교육용 가정 |
|---|---|---|
| $A_d$ | 화소 넓이 | (12 µm)² |
| $\tau_o$ | 렌즈 투과율 | 0.9 |
| $dM/dT$ | 300 K, 8~12 µm 대역 복사의 온도 미분 | 1.98 W/(m²·K)(계산) |
| $\alpha$ | 흡수율 | 0.8 |
| $G$ | 다리의 열전도 | $1\times10^{-8}$ W/K (경험 범위, 확인 필요) |
| $C_{\mathrm{th}}$, $\tau_{\mathrm{th}}$ | 화소의 열용량, 열 시간 상수 | $\tau_{\mathrm{th}}$ 수~십수 ms (경험 범위) |
이 가정에서 F1의 12 µm 화소는 장면 1 K에 64 pW를 받아 5.1 mK 데워진다. NETD 50 mK는 화소 온도의 잡음이 약 0.26 mK라는 뜻이다. 식에서 세 가지 설계 법칙이 나온다.
- NETD는 F수의 제곱에 비례한다. F1에서 50 mK인 코어는 F1.4에서 98 mK, F2에서 200 mK다. 데이터시트의 NETD는 어느 F수에서의 값인지와 함께 읽어야 한다.
- 화소를 줄이면 감도가 준다. 17 µm에서 12 µm로 줄이면 넓이가 절반이라 같은 $G$에서 NETD가 2.0배가 된다. 그래서 작은 화소는 다리를 더 가늘고 길게 만들어 $G$를 낮춘다. 그러면 열 시간 상수 $C_{\mathrm{th}}/G$가 길어지므로 막을 더 얇게 해 열용량을 함께 줄여야 한다.
- 느리다. 열 시간 상수가 화소의 노출 시간 노릇을 한다. 8~12 ms에서 짐벌이 10 °/s로 돌면 IFOV 1.36 mrad에서 1.0~1.5화소, 30 °/s면 3.1~4.6화소가 번진다. 빠른 선회 중의 열영상이 흐린 이유다(6.2).
흡수막의 감온 재료로는 산화바나듐(VOx)과 비정질 실리콘(a-Si)이 흔하고 (경험 범위), 화소 피치는 17 µm에서 12 µm, 그 아래로 줄어 왔다 (공개 주장치). 렌즈는 LWIR을 통과시키는 게르마늄이나 칼코겐화물 유리로 만들며, F1 렌즈는 구경이 초점거리와 같다. 초점거리 100 mm면 구경 100 mm다. 먼 거리를 보는 비냉각 열영상은 렌즈가 무겁고 비싸다.
6.4.4.2 냉각형 광자 검출기 — 광자를 세는 센서
결론부터: 광자 검출기는 적외선 광자가 반도체의 전자를 직접 들뜨게 하는 원리다. 빠르고(적분 시간 µs~ms), 민감하다. 그러나 상온에서는 열로 생기는 전자(암전류)가 신호를 마스킹하므로 검출기를 극저온(77 K 안팎, 고온 동작형은 150 K 안팎 (공개 주장치))으로 식혀야 한다. 대가는 냉각기의 무게·전력·기동 시간·수명이다.
검출기 재료는 MWIR의 InSb, MWIR과 LWIR의 HgCdTe(MCT), 그리고 II형 초격자(T2SL)와 nBn 구조 같은 새 계열이 있다 (경험 범위). 검출기는 진공 듀어 안에 있고, 그 앞에 냉각 조리개가 있다(위 그림 오른쪽). 냉각 조리개는 검출기가 장면 밖의 따뜻한 구조물을 보지 못하게 막는다. 그래서 렌즈의 F수가 냉각 조리개에 맞춰 정해지고, F4 안팎이 흔하다 (경험 범위).
광자 검출기의 감도 한계는 풀웰 용량(full-well capacity)이 정한다. 광자 수가 충분하면 잡음은 광자 잡음이고, 한 프레임에 모은 전자 수 $N_e$와 1 K당 광자 플럭스의 상대 변화 $c$로 NETD가 정해진다.
$$\mathrm{NETD}_{\text{우물}}\approx\frac{1}{c\,\sqrt{N_e}},\qquad c=\frac{1}{\Phi}\frac{d\Phi}{dT}$$
300 K에서 $c$는 MWIR 3.59 %/K, LWIR 1.61 %/K다(광자 플럭스 기준, 계산). 우물 250만 전자를 채우면 MWIR은 17.6 mK, LWIR은 39 mK다. 그런데 LWIR은 광자가 46배 많아 우물이 너무 빨리 찬다. 15 µm 화소·F4·양자효율 0.7·광학 투과 0.8로 계산하면 MWIR은 250만 전자를 9.7 ms에 채우고 LWIR은 0.21 ms에 채운다. LWIR 광자 검출기는 짧은 적분과 여러 프레임 평균을 사용해야 하고, MWIR은 프레임 시간에 자연스럽게 맞는다. 냉각형에서 MWIR이 흔한 이유의 하나다.
냉각형의 가장 큰 이점은 렌즈다. F4로 충분하므로 초점거리 100 mm의 구경이 25 mm다. 비냉각(F1)의 100 mm와 비교하면 같은 IFOV를 4분의 1 구경으로 얻는다. 먼 거리의 좁은 시야, 연속 줌, 짐벌 질량의 제약이 있는 장거리 감시에서 냉각형 MWIR이 사용되는 이유다.
6.4.4.3 냉각형 대 비냉각형 — SWaP와 감도
| 항목 | 비냉각(마이크로볼로미터) | 냉각형(광자 검출기) |
|---|---|---|
| 원리 | 열 → 저항 변화 | 광자 → 전자 |
| 주 대역 | LWIR | MWIR(LWIR도 있음) |
| 동작 온도 | 상온(온도 안정화) | 77 K 안팎, 고온 동작형 150 K 안팎 (공개 주장치) |
| NETD | 30~50 mK(F1 안팎) (공개 주장치, 4.11.5.1) | 10~25 mK(F4 안팎) (경험 범위) |
| 응답 | 열 시간 상수 수~십수 ms | 적분 시간 µs~ms |
| 렌즈 | F1 안팎, 구경이 초점거리만큼 크다 | F4 안팎, 구경이 4분의 1 |
| 전력 | 코어 1 W 안팎 (경험 범위) | 냉각기 포함 수~십수 W (경험 범위, 확인 필요) |
| 질량 | 코어 수십 g대부터 (공개 주장치) | 냉각기 포함 수백 g 이상 (경험 범위, 확인 필요) |
| 기동 | 수 초 | 냉각에 수 분 (경험 범위) |
| 수명·정비 | 냉각기 없음 | 냉각기의 정비 주기가 수천~수만 시간 (공개 주장치, 확인 필요) |
| 가격 | 낮다(빠르게 내려왔다) | 높다 |
| 적합한 용도 | 소형 UAS의 점검·소방·수색·야간 항법 | 장거리 감시, 좁은 시야의 확인, 빠른 대상 |
전력의 무게는 기체에 따라 다르다. 2.9.8의 모형으로 보조 전력 5 W를 더하면 2 kg 쿼드콥터의 비행 시간이 1.8 %, 4 kg 고정익은 7.9 %, 6 kg 결합형은 2.7 % 준다. 호버 전력이 큰 소형 쿼드보다 순항 효율이 좋은 고정익이 냉각기 전력에 더 민감하다. 질량까지 넣으면 손실이 더 커진다(2.9.8, 6.1).
6.4.5 NETD와 MRTD — 정의와 읽는 법
6.4.5.1 NETD
NETD(잡음 등가 온도차, noise-equivalent temperature difference)는 큰 균일 표적과 배경의 온도 차가 만드는 신호가 시간 잡음과 같아지는 온도 차다. 곧 SNR 1의 온도 차다. 데이터시트의 NETD를 비교하려면 네 가지 조건을 맞춰야 한다.
| 조건 | 왜 중요한가 | 이 장의 계산 |
|---|---|---|
| F수 | 비냉각은 $N^{2}$에 비례한다 | F1에서 50 mK가 F1.4에서 98 mK |
| 배경 온도 | 대역 복사의 미분이 온도에 따라 다르다 | 아래 표 |
| 프레임 평균·적분 시간 | 평균하면 NETD가 줄지만 움직임에 번진다 | — |
| 공간 잡음 | NETD는 시간 잡음이다. 화소끼리의 고정 패턴 잡음은 따로 있다 | 6.4.8 |
배경 온도가 낮으면 NETD가 나빠진다. 같은 1 K라도 차가운 장면에서는 복사의 변화가 작기 때문이다. 300 K에서 50 mK인 센서의 실효 NETD를 계산했다.
| 배경 | −28 °C(맑은 하늘의 유효 온도 가정) | −13 °C | 0 °C | 15 °C | 27 °C | 40 °C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 대역 감도(300 K 대비) | 0.49 | 0.62 | 0.74 | 0.88 | 1.00 | 1.13 |
| 실효 NETD | 101 mK | 81 mK | 68 mK | 57 mK | 50 mK | 44 mK |
5.6.5.3은 등가 온도차를 300 K의 대역 감도로 나눠 정의했다. 그 정의에서는 배경 온도의 효과가 복사 차 안에 이미 들어 있어, NETD를 300 K 값 그대로 사용해도 된다. 이 장도 같은 정의를 사용한다.
6.4.5.2 MRTD와 표준 표적
NETD는 큰 표적의 감도다. 작은 무늬를 알아보는 능력은 해상도(MTF)와 함께 정해지며, 이것을 재는 지표가 MRTD(최소 분해 온도차, minimum resolvable temperature difference)다. 관측자가 4막대 표적(막대 하나의 길이 대 폭이 7 대 1)의 무늬를 알아볼 수 있는 가장 작은 온도 차를 공간 주파수마다 잰다. 낮은 주파수에서는 NETD에 가깝고, 주파수가 오르면 MTF가 떨어져 급격히 커진다. MRTD는 감도와 해상도를 한 곡선에 포함한다. 관측자의 눈과 화면이 들어가므로 측정이 주관적이라는 한계가 있다.
MRTD 곡선으로 거리를 내는 절차는 NATO의 STANAG 4347(Ed. 1, 1995)이 정한 틀이 널리 인용된다. 2.3 m 정사각 표적과 288 K 흑체 기준 2 K의 온도 차를 두고, 대기 투과로 줄어든 온도 차가 MRTD와 만나는 주파수를 Johnson 기준의 주기 수(6.3.6)로 거리로 바꾼다(보관본과 회원국 채택판으로 2차 확인, 원문 확인 필요). 개념식은 다음이다.
$$\Delta T_0\,\tau(R)=\mathrm{MRTD}\!\left(f=\frac{N_c\,R}{s}\right)$$
$f$는 각주파수(주기/rad), $s$는 표적 크기, $N_c$는 과업의 주기 수다. NATO의 연구 보고서는 이 방식이 응시형(staring) 배열과 주사형을 공정하게 비교하지 못한다고 지적했다(2차 확인). 현대의 성능 모형은 6.3.6의 과업 성능 지표 쪽으로 옮겨 갔다.
6.4.6 열 대비가 문턱을 넘는 거리
6.4.6.1 하나의 식 — 화소를 채우는 비율과 대기 투과
결론부터: 화소가 느끼는 온도 차는 표적의 온도 차에 화소를 채운 비율과 대기 투과를 곱한 것이다. 이것이 $k\cdot\mathrm{NETD}$를 넘으면 탐지한다. 가까운 표적(화소를 채운다)은 대기만이 거리를 정하고, 먼 표적(화소보다 작다)은 거리가 NETD의 제곱근에 반비례한다.
$$\Delta T_{\text{화소}}(R)=\Delta T_0\cdot\min\!\left(1,\frac{A}{(\mathrm{IFOV}\cdot R)^{2}}\right)\cdot e^{-\sigma R}\ \ge\ k\cdot\mathrm{NETD}$$
| 경우 | 거리의 식 | 같은 정의의 앞 장 |
|---|---|---|
| 넓은 표적(화소를 채운다) | $R=\dfrac{1}{\sigma}\ln\dfrac{\Delta T_0}{k\,\mathrm{NETD}}$ | 4.11.9.3 |
| 점 표적(화소보다 작다) | $R=\dfrac{1}{\mathrm{IFOV}}\sqrt{\dfrac{A\,\Delta T_0\,e^{-\sigma R}}{k\,\mathrm{NETD}}}$ | 5.6.5.3(그 장은 $\sigma=0$) |
점 표적의 식은 $R$이 양변에 있어 수치로 푼다. 센서는 4.11·5.6와 같다. 640화소·50도의 평균 IFOV 1.36 mrad, NETD 50 mK, $k=3$이다. 이 정의로 앞 장의 값이 다시 나온다. 땅 배경의 전기 쿼드(등가 $A\Delta T$ 0.18 K·m²)는 0.80 km, 맑은 하늘 배경(1.6 K·m²)은 2.40 km다(5.6.5.3의 표는 2.41 km — 반올림 차). 넓은 표적은 시정 200 m 복사무형에서 288 m, 이류무형에서 112 m다(4.11.9.3은 287 m·112 m — 반올림 차).
맑은 공기의 LWIR 소광계수는 수증기량에 크게 달라진다. 이 장은 정량하지 않고 0.2 /km와 0.5 /km를 교육용 매개변수로 사용한다 (실제 값은 대기 투과 모형으로 확인 필요). 안개는 4.11.9.2의 비율로 정한다. 시정 1 km 복사무형이 $1.8$ /km, 이류무형이 $4.6$ /km다.
6.4.6.2 계산 결과
| 표적(5.6.5.3) | $\sigma=0$ | 0.2 /km | 0.5 /km | 1.8 /km | 4.6 /km |
|---|---|---|---|---|---|
| 전기 쿼드, 땅 배경(0.18 K·m²) | 801 m | 744 m | 677 m | 507 m | 355 m |
| 전기 쿼드+몸통, 맑은 하늘(1.6 K·m²) | 2,395 m | 1,967 m | 1,604 m | 986 m | 601 m |
| 같은 표적, 좁은 시야 냉각형(IFOV 0.05 mrad, 20 mK) | 103 km | 17.7 km | 9.5 km | 3.7 km | — |
읽을 것은 셋이다.
- NETD의 이득은 제곱근이다. 맑은 하늘 배경에서 NETD를 50 mK에서 20 mK로 줄이면 대기가 없을 때 2.40 km가 3.79 km(1.58배)로 는다. 소광계수 0.5 /km에서는 1.60 km가 2.19 km(1.37배)로 이득이 더 작다.
- 좁은 시야는 거리를 IFOV에 반비례해 늘린다. 그러나 대기가 곧 상한이 된다. 같은 표적을 IFOV 0.05 mrad·20 mK 센서로 보면 대기가 없을 때 103 km라는 무의미한 값이 나오고, 소광계수 0.2 /km만 넣어도 17.7 km, 0.5 /km에서 9.5 km다. 장거리에서는 센서가 아니라 대기가 거리를 정한다. 지구 곡률과 가시선, 배경의 얼룩도 더 줄인다.
- 점을 찾는 것과 알아보는 것은 다르다. 위 거리는 화소 하나가 문턱을 넘는 탐지다. 무엇인지 알려면 6.3.6의 주기 수가 필요하고, 0.2 m 몸통이 1.36 mrad의 한 화소를 채우는 거리가 147 m다. 탐지 거리의 대부분 구간에서 표적은 점으로만 보인다.
6.4.7 방사 측정 — 온도를 재는 열영상
영상용 열영상은 대비만 있으면 된다. 점검·소방의 방사 측정(radiometric) 열영상은 화소마다 온도 값을 낸다. 그러려면 카메라가 측정한 복사에서 표면 온도를 거꾸로 풀어야 하는데, 그 계산에 방사율 $\varepsilon$과 반사 온도 $T_r$(표면이 반사하는 주변의 유효 온도)이 들어간다(4.11.5.1의 식).
$$L=\varepsilon\,M(T)+(1-\varepsilon)\,M(T_r)\quad\Longrightarrow\quad M(T_m)=\frac{L-(1-\varepsilon_s)\,M(T_r)}{\varepsilon_s}$$
$\varepsilon_s$는 카메라에 설정한 방사율이다. 실제와 설정이 다르면 오차가 생긴다. 대기 감쇠는 거리 수십 m에서 작다고 두고 무시했다.
| 실제 $\varepsilon$ | 설정 $\varepsilon$ | 0 °C | 40 °C | 60 °C | 100 °C | 150 °C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.90 | 0.95 | +1.2 K | −1.0 K | −1.8 K | −3.3 K | −4.9 K |
| 0.95 | 0.85 | −2.7 K | +2.1 K | +3.9 K | +7.1 K | +10.6 K |
| 0.50 | 0.95 | +10.0 K | −9.0 K | −17.2 K | −32.0 K | −48.9 K |
| 0.30 | 0.95 | +14.2 K | −13.2 K | −25.7 K | −48.9 K | −75.8 K |
읽을 것은 넷이다.
- 표면이 주변과 같은 온도이면 방사율이 틀려도 오차가 없다. 오차는 표면 온도가 반사 온도에서 멀어질수록 커진다. 뜨거운 결함을 찾는 점검이 바로 오차가 큰 영역이다.
- 고방사율 표면은 관대하다. 도장면·피복·태양광 모듈 유리처럼 0.9 안팎이면 0.05의 오차가 60 °C에서 약 2 K다.
- 금속은 위험하다. 방사율 0.5인 산화 금속을 0.95로 두면 60 °C 접속부가 17 K 낮게, 0.3이면 26 K 낮게 읽힌다. 광택 금속은 방사율이 더 낮아(0.1 안팎
(경험 범위)) 사실상 주변을 비추는 거울이다. 고방사율 테이프나 도료를 붙여 재는 이유다. - 반사 온도도 오차원이다. 방사율 0.5의 60 °C 표면이 실제로는 −20 °C의 맑은 하늘을 반사하는데 반사 온도를 20 °C로 두면 24.5 K 틀린다. 방사율 0.95에서는 1.2 K다.
측정에는 크기도 필요하다. 한 화소는 대상과 주변을 섞으므로 온도를 재려면 대상이 여러 화소에 걸쳐야 한다. 3×3 화소를 기준으로 두면 (경험 범위) IFOV 1.36 mrad에서 15 cm 접속부는 37 m, 1 m 크기의 태양광 모듈 영역은 244 m 안에서 재야 한다. IFOV를 절반(0.68 mrad)으로 하면 거리가 두 배다. 데이터시트의 정확도는 "±2 °C 또는 측정값의 ±2 %" 같은 꼴이 흔하다 (공개 주장치). 이는 실험실의 흑체 조건이며, 위 표의 방사율·반사 오차는 그 위에 더해진다.
응용별로 요구가 다르다. 태양광 점검은 모듈의 열점과 바이패스 다이오드 이상을 찾으며, 일사량·풍속·시야각 조건과 보고 형식을 IEC TS 62446-3:2017이 정한다(6.4.12). 전력 설비 점검은 접속부의 온도 상승을 같은 조건의 상(相)끼리 비교하는 상대 평가가 실무에서 흔하다 (경험 범위). 절대 온도의 오차를 상쇄하기 위해서다. 소방은 수백 °C까지 재는 고온 범위가 필요하고, 불꽃의 뜨거운 가스는 MWIR의 분자 띠에서 강하게 내므로 불길 너머를 보려면 LWIR이 유리하다 (경험 범위). 연기는 LWIR에 거의 투명하다(4.11.9.4). 응용 절차는 14.4(점검)과 14.7(소방·재난)이 맡는다.
6.4.8 보정·셔터·프레임률
비균일 보정(NUC, non-uniformity correction). 열영상 배열은 화소마다 이득과 영점이 조금씩 다르다. 장면 신호가 배경의 1 % 남짓이라 이 차이가 그대로 고정 패턴 잡음(FPN)이 된다. 공장에서 두 온도의 흑체로 화소마다 이득과 영점을 맞추고(2점 보정), 운용 중에는 영점이 카메라 자체 온도에 따라 흘러 다시 맞춰야 한다.
평탄장 보정(FFC, flat-field correction). 비냉각 코어는 렌즈 앞에 균일한 셔터를 닫아 영점을 다시 잡는다. 그동안 영상이 멈춘다. 주기는 카메라 온도 변화에 따라 수십 초에서 수 분이고, 멈춤은 수백 ms 수준이다 (경험 범위). 항법과 추적에는 이 멈춤이 공백이다. 4.11의 열영상 시각 항법이나 6.12의 추적은 멈춤 시각을 알고 관성으로 메워야 한다. 셔터 없이 알고리즘으로 영점을 추정하는 방식도 있다 (공개 주장치). 방사 측정 카메라는 이륙 직후처럼 카메라 온도가 크게 변할 때 값이 흘러, 안정화 시간을 두는 것이 실무 관행이다 (경험 범위).
프레임률과 수출통제. 비냉각 LWIR 카메라는 같은 모델이 30·60 Hz와 9 Hz 이하 판으로 나뉘어 팔리는 일이 많다. 미국 수출관리규정(EAR)에서 9 Hz 이하의 열영상 카메라는 통제가 약한 분류(ECCN 6A993)에, 그보다 빠른 것은 6A003(비냉각 배열 카메라는 6A003.b.4.b)에 든다고 미국 에너지부의 수출통제 교육 자료가 정리한다(공식 기관의 안내 자료로 확인, EAR 원문 확인 필요). 같은 자료는 군용으로 설계된 열영상 장비가 ITAR의 USML 제12류에 든다고 적는다. 9 Hz는 영상 품질이 아니라 규정의 경계다. 9 Hz 판은 빠른 움직임에서 쓸모가 크게 준다. 상세는 19.15~19.17가 맡는다.
6.4.9 수치 예시·워크스루 — 밤의 들판에서 사람을 찾는다
실종자 한 명을 밤에 넓은 들판에서 찾는다. 2 kg 쿼드콥터(1.7.7)에 4.11의 열영상 코어(640×512, 12 µm, 시야각 50도, 초점거리 8.23 mm, NETD 50 mK)를 수직으로 탑재한다.
| 단계 | 가정 | 계산 | 결과 |
|---|---|---|---|
| ① 열 대비 | 옷 표면 25 °C, 땅 10 °C, 방사율 0.95(가정) | 300 K 감도로 나눈 등가 온도차 | 12.9 K = $k\cdot$NETD의 86배 |
| ② 대기 한계(넓은 표적) | 시정 200 m 이류무형 안개($\sigma$ 23 /km) | $\ln(12.9/0.15)/\sigma$ | 193 m(복사무형 495 m) |
| ③ 탐지에 필요한 해상 | 임계 치수 0.5 m(6.1.6과 같은 가정), 탐지 80 %에 1주기의 1.45배 = 2.9화소 | $s/(2.9\cdot\mathrm{IFOV})$ | 126 m 안(50 %면 183 m) |
| ④ 수색 고도 | 고도 100 m | 중심 GSD $h\cdot12\ \mu\mathrm{m}/8.23\ \mathrm{mm}$ | 14.6 cm, 사람에 3.4화소 |
| ⑤ 확인(인식) | 4주기(8화소) | 고도 40 m로 내려간다 | 5.8 cm, 8.6화소 |
| ⑥ 촬영 폭 | 고도 100 m, 50도 | $2h\tan25°$ | 93 m |
| ⑦ 면적률 | 12 m/s | $93.3\times12$ | 4.03 km²/h |
| ⑧ 한 번의 비행 | 18.1분의 80 % | 14.5분 × 4.03 km²/h | 약 0.97 km² |
| ⑨ 번짐 | 지면 각속도 $v/h$, 열 시간 상수 10 ms | $(v/h)\times0.010/(1.46\ \mathrm{mrad})$ | 100 m에서 0.82화소, 40 m에서 2.1화소 |
읽는 법은 네 가지다.
- 사람 찾기에서 NETD는 거의 문제가 아니다. 대비가 문턱의 86배라 짙은 안개에서도 고도 100 m의 시선 거리(가장자리 110 m)는 대기 한계(193 m) 안에 든다. 거리를 정하는 것은 해상도다. 탐지는 고도 100 m에서 하고, 후보가 나오면 40 m로 내려가 속도를 줄이거나 제자리 비행으로 확인하는 두 단계 운용이 합리적이다. 40 m에서 12 m/s로 지나가면 열 시간 상수 때문에 2화소 넘게 번진다.
- 같은 쿼드로 가시광 카메라는 밤에 아무것도 못 한다(4.11.4). 반대로 낮의 여름 들판에서는 땅이 햇볕에 데워져 사람과 온도가 비슷해지거나 대비가 뒤집힌다(열 교차, 4.11.5.2). 이때 탐지를 정하는 것은 NETD가 아니라 배경의 얼룩(데워진 바위·동물·물웅덩이)이고, 오경보가 문제가 된다.
- 넓이는 고도와 시야각이 산다. 약 1 km²가 이 쿼드의 한 번 비행이다. 넓은 수색은 고정익·결합형(2.9.8의 체공)이나 여러 대의 동시 수색이 필요하다. 탐지 확률과 탐색 폭으로 수색 효율을 계산하는 법은 6.12가, 임무 절차는 16.19가 다룬다.
- 사람을 찾는 영상은 사람을 포함한다. 구조 목적의 촬영은 「개인정보 보호법」 시행령이 정한 예외(구조·재난 등)에 해당할 수 있으나, 영상의 보관과 이용은 따로 따져야 한다(18.17).
6.4.10 설계 트레이드오프 — 어떤 열영상을 탑재할 것인가
선택은 세 갈래다.
① 비냉각 LWIR 광각 코어. 가볍고 싸며 기동이 즉시다. 점검·소방·수색·야간 항법의 소형 UAS에 맞는다. 해상도가 낮고 느려(열 시간 상수) 먼 거리와 빠른 선회에 약하다. 방사 측정이 필요하면 방사 측정 판을 고르고 방사율 관리의 운용 절차가 따라온다.
② 비냉각 LWIR 망원. 초점거리를 늘려 IFOV를 줄인다. 그러나 F1 렌즈의 구경이 초점거리만큼 커져 무게와 가격이 빠르게 오른다. F수를 키우면 NETD가 $N^{2}$로 나빠진다. 중거리 감시의 절충이다.
③ 냉각형 MWIR 줌. 감도와 빠른 응답, 작은 구경으로 장거리 감시에 맞는다. 냉각기의 전력·무게·기동 시간·정비, 높은 가격과 엄격한 수출통제가 대가다. 짐벌과 함께 MALE급 이상의 기체에서 현실적이다(6.1).
견해: 소형 UAS의 열영상 선택은 NETD보다 IFOV와 운용 절차를 먼저 보는 편이 낫다고 본다. 근거는 세 가지다. 첫째, 6.4.6의 계산에서 거리는 NETD의 제곱근으로만 늘고 대기가 그 이득을 더 깎는 반면, IFOV는 거리에 정비례한다. 둘째, 수색처럼 대비가 큰 과업은 워크스루에서 보듯 해상도가 거리를 정한다. 셋째, 점검의 정확도는 센서 NETD보다 방사율과 반사 온도의 관리(6.4.7)가 지배한다. 반대로 대비가 작은 장면(열 교차, 차가운 하늘 배경의 작은 표적)에서는 NETD가 결정적이 된다. 이 판단은 대비·대기·과업의 가정에 따라 달라진다.
6.4.11 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 주된 용도 | 야간 감시정찰(개념, 10.3), 야간·GNSS 거부 항법(4.11) | 태양광·전력·건물 점검, 소방·재난, 수색구조 | 야간·저시정 장애물 감지, 착륙 보조 |
| 대표 센서 | 짐벌의 냉각형 MWIR 줌 + 비냉각 LWIR | 비냉각 LWIR(방사 측정 판), 가시광과 일체형 | 비냉각 LWIR 고정 장착 |
| 지배 지표 | 경사 거리의 과업 거리(MRTD·STANAG 4347 틀) | 측정 정확도·IFOV·면적률 | 감지 거리·지연·오경보 |
| 대표 제약 | 냉각기 SWaP, 수출통제(ITAR·EAR), 노획 시 기술 보호(8.17) | 9 Hz 판의 한계, 방사율 관리, 개인정보 | 인증 가능한 성능 근거(7.4), 낮은 해상도 |
| 관련 장 | 5.6·10.3·24.13 | 14.4·14.7·16.19·24.32 | 2.14·4.11.10·7.1 |
6.4.12 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
ASTM E1543 (판 확인 필요) | ASTM | 열영상 계의 NETD 측정(배경 295 K 기준을 가정) | 6.4.5.1 |
ASTM E1213 (판 확인 필요) | ASTM | 열영상 계의 MRTD 측정 | 6.4.5.2 |
ASTM E1311 (판 확인 필요) | ASTM | 열영상 계의 최소 탐지 온도차(MDTD) 측정 | 6.4.5.2 |
| STANAG 4347 Ed. 1(1995) | NATO | 열영상 계의 공칭 정적 거리 성능 — 2.3 m 표적, 2 K(288 K 기준), MRTD 기반(2차 확인) | 6.4.5.2 |
STANAG 4349·4350 (내용 확인 필요) | NATO | 열영상 MRTD의 측정·계산 관련 | 6.4.5.2 |
| IEC TS 62446-3:2017 | IEC | 태양광 모듈·발전소의 옥외 적외선 열화상 점검(장비·조건·절차·보고·인력) | 14.4 |
ISO 18434-1 (판 확인 필요) | ISO | 상태 감시의 열화상 일반 절차 | 14.4 |
ISO 18436-7 (판 확인 필요) | ISO | 상태 감시 열화상 인력의 자격 | 14.4 |
STANAG 4609·MISB 표준 (판 확인 필요) | NATO·MISB | 적외선 동영상과 메타데이터의 상호운용 | 9.8 |
6.4.13 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 대상 | 요구 | 이 장과의 연결 | 상세 |
|---|---|---|---|
| 수출통제(미국) | EAR: 9 Hz 이하 열영상 카메라는 6A993, 그보다 빠른 비냉각 배열 카메라는 6A003.b.4.b. 군용 설계품은 ITAR USML 제12류(미국 에너지부 교육 자료로 확인, 원문 확인 필요) | 프레임률·배열·용도 | 19.16 |
| 수출통제(다자·한국) | 바세나르 체제 제6류의 광학 센서, 한국 전략물자 (확인 필요) | 냉각형 검출기·고해상도 배열 | 19.15·19.17 |
| 공급망 | 냉각형 검출기·게르마늄 렌즈 소재의 수입 의존 (확인 필요) | 냉각형 대 비냉각형 | 19.19 |
| 야간 비행 | 야간 운용의 승인과 조건 | 열영상이 야간 운용의 핵심 센서 | 14.17·18.6 |
| 개인정보 | 「개인정보 보호법」 제25조의2의 이동형 영상정보처리기기 운영 제한(6.3.14) | 열영상도 사람을 알아볼 수 있으면 대상이 될 수 있다 (해석 확인 필요) | 18.17 |
| 점검 성과물 | 발주처의 시험 기준과 인력 자격 | 방사 측정의 정확도 근거 | 14.4 |
| 환경시험 | 진동·온도에 따른 초점·영점 변화 | 평탄장 보정, 방사 측정의 안정성 | 8.9 |
6.4.14 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "NETD가 반이면 거리가 두 배다" | 점 표적에서 거리는 NETD의 제곱근에 반비례한다. 대기가 이득을 더 깎는다 | 6.4.6.2 |
| "데이터시트의 NETD는 비교할 수 있다" | F수·배경 온도·프레임 평균이 다르면 비교할 수 없다. 비냉각은 $N^{2}$에 비례한다 | 6.4.5.1 |
| "열영상은 온도를 잰다" | 영상용은 대비만 낸다. 방사 측정 판도 방사율·반사 온도를 틀리면 수십 K 틀린다 | 6.4.7 |
| "금속 접속부는 뜨거우면 밝게 보인다" | 방사율이 낮아 주변을 비춘다. 60 °C가 17~26 K 낮게 읽힌다 | 6.4.7 |
| "좁은 시야 센서는 수십 km를 본다" | 대기와 가시선이 상한이다. 소광 0.2 /km에서 103 km가 17.7 km가 된다 | 6.4.6.2 |
| "열영상 영상은 끊기지 않는다" | 평탄장 보정 동안 수백 ms 멈춘다. 항법과 추적은 이를 메워야 한다 | 6.4.8 |
| "9 Hz 판도 같은 카메라다" | 규정의 경계일 뿐 빠른 움직임에서는 쓸모가 크게 준다 | 6.4.8 |
| "냉각형은 늘 더 좋다" | 소형 기체에서는 냉각기 전력·무게·기동·정비가 이득을 넘을 수 있다 | 6.4.4.3 |
이 장의 한계를 밝혀 둔다.
- 대기 모형이 거칠다. 분자 흡수를 지수 감쇠 하나로 바꿨고 맑은 공기의 소광계수는 매개변수다. 경로 복사(대기 자신의 방출)와 난류는 넣지 않았다.
- 검출기 수치는 교육용이다. 다리의 열전도·열 시간 상수·풀웰 용량은 문헌의 대략적 크기를 따른 가정이다. 제품은 데이터시트와 ASTM·STANAG 방식의 시험으로 확인한다.
- MRTD와 STANAG 4347은 원문을 확인하지 못했다. 절차의 세부는 보관본과 2차 자료에 기댔다.
- 수출통제는 바뀐다. 9 Hz 경계와 분류는 2026년 10월 현재 공개 안내 자료의 정리이며, 개별 품목은 규정 원문과 당국 판정으로 확인해야 한다.
6.4.15 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 상온 물체의 복사가 LWIR에서 가장 강하고 뜨거운 배기는 MWIR에서 강한 이유를 빈 변위 법칙과 대역 복사로 설명하라.
- 마이크로볼로미터의 NETD가 $N^{2}G/A_d$에 비례하는 이유를 감도 사슬로 보이고, 화소를 17 µm에서 12 µm로 줄일 때 무엇을 함께 바꿔야 하는지 말하라.
- 냉각형 광자 검출기에서 MWIR이 LWIR보다 프레임 시간에 맞추기 쉬운 이유를 풀웰 용량과 광자 수로 설명하라.
- 300 K에서 50 mK인 센서가 맑은 하늘을 배경으로 할 때 실효 NETD가 나빠지는 이유를 설명하라.
- 점 표적의 탐지 거리 식에 대기 투과를 넣고, NETD를 절반으로 줄여도 거리가 $\sqrt2$배보다 적게 느는 이유를 보여라.
- 방사율 0.5의 금속 접속부를 0.95로 설정하면 온도가 낮게 읽히는 이유와, 표면이 주변 온도와 같을 때 오차가 사라지는 이유를 설명하라.
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 저고도 경사 경로의 LWIR 투과 — 무인기가 사용하는 수백 m~수 km의 저고도 경사 경로에서 수증기·연무의 LWIR 소광을 공개 측정으로 정리할 수 있는가? 이 장의 매개변수(0.2·0.5 /km)는 어느 조건에 해당하는가?
- 평탄장 보정의 공백과 항법 — 평탄장 보정의 멈춤과 영점 흐름이 열영상 시각-관성 항법(4.11·4.7)의 오차에 주는 영향은 얼마이며, 셔터 없는 보정이 이를 얼마나 줄이는가?
- 드론 방사 측정의 불확도 예산 — 방사율·반사 온도·거리·바람·시야각을 넣은 무인기 열화상 점검의 불확도 예산을 표준화할 수 있는가(IEC TS 62446-3과 연결)?
- 수출통제 경계의 기술적 의미 — 프레임률·배열 크기 같은 통제 경계가 민간 수색·소방의 성능에 주는 제약을 정량화하고, 정책 대안을 비교할 수 있는가(19.16)?
1차 출처(이 장)
- Rogalski, A., Infrared and Terahertz Detectors, 3rd ed., CRC Press, 2019.
- Kruse, P. W., Uncooled Thermal Imaging: Arrays, Systems, and Applications, SPIE Press, 2001.
- Vollmer, M.; Möllmann, K.-P., Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications, 2nd ed., Wiley-VCH, 2017.
- Holst, G. C., Electro-Optical Imaging System Performance, 5th ed., JCD Publishing·SPIE Press, 2008.
- NATO STANAG 4347 Ed. 1(1995); ASTM E1543·E1213·E1311; IEC TS 62446-3:2017.
- U.S. Department of Energy, HRP Job Aid "Cameras"(수출통제 교육 자료, hrp.doe.gov) — EAR 원문의 대체가 아니다.
출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.
다음 장: 6.5에서 빛 대신 전파로 영상을 만드는 합성개구레이더(SAR)와 지상 이동 표적 탐지(GMTI)를 다룬다. 실개구와 합성개구의 해상도, 대역폭과 거리 해상도, 그리고 항법 오차가 합성개구의 초점을 얼마나 흐리는지를 계산한다.